автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Интенсификация процессов выделения легких углеводородов из нефти на стадии ее подготовки к переработке с помощью гидроциклонов



На правах рукописи

НУРМУХАМЕТОВ НАЗИФ ХАНИФОВИЧ

Интенсификация процессов выделения легких углеводородов из нефти

на стадии ее подготовки к переработке с помощью глдрошдаюнов

05.! 7.07 - Химическая технология топлива и газа

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

УФА 1996

Работа выполнена в Акционерном обществеУфимский нефтеперерабатывающий завод.

Научный руководитель: - академик АТН РФ, доктор технических

наук, профессор Ю.М Абызгильдин

- заслуженный изобретатель РБ, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Р.РАхсанов Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

И.Р.Кузеев

- доктор технических наук, профессор Г.Г.Теляшев

Ведущая организация - Институт проблем нефтеперерабатывающей

и нефтехимической промышленности Акаде мии наук Республики Башкортостан

Защита состоится 20 сентября 1996 года в 16 часов на заседании диссертационного Совета Б 063.09.03 Уфимского государственного нефтяного технического университета по адресу: 450062, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1, а. 1-358.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского го; дарственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан " $ " и^оЛ^_1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуадьгость темы. Основными направлениями развития народно----------------

го хозяйства России предусматривается внедрение новых технологических процессов, направленных на улучшение качества товарной нефти и снижение потерь при ее добыче и транспортировке.

Интенсификация процессов первичной переработки нефти предусматривает применение технологических установок подготовки нефти в олочноагрегатном варианте, что позволяет использовать имеющиеся мощности не только в условиях добычи и подготовки различных видов нефтей, но и быстро реконструировать их в связи с изменением свойств продукции скважин при минимальных затратах. Одним из наиболее оптимальных блочных аппаратов для выделения легких углеводородов из нефти на стадии ее подготовки к переработке является гидроциклон. Отсутствие теории и экспериментальных исследований процесса дегазации жидкости в поле центробежных сил затрудняет внедрение этих малогабаритных. простых по конструкции и высокоэффективных устройств, позволяющих осуществлять новые технологические принципы интенсификации работы систем подготовки нефти с получением легких углеводородов дня дальнейшей переработки на нефтеперерабатывающих комплексах.

Традиционные методы дегазации и стабилизации нефти предусматривают использование крупногабаритного, металлоемкого оборудования, требуют значительных энергетических затрат. Существующие нефтяные сепараторы с гидроциклонным вводом сырья в силу их конструктивных недоработок, вызванных недостаточной изученностью гидродинамики процесса выделения газа и легких углеводородов из нефти в поле центробежных сил, не обеспечивают всех преимуществ этого способа.

Отсутствуют также зависимости для определения эффективности работы гидроциклонных устройств применительно к процессу выделения

легких углеводородов из нефти в процессах подготовки ее, что затрудняет расчеты и применение этих устройств в широких масштабах.

В связи с этом, актуальными являются задачи исследований по выявлению, научному обоснованию основных принципов процесса дегазации нефти в поле центробежных сил и создания на этой основе принципиально новой технологии и техники получения легких углеводородов на стадии подготовки нефти к глубокой ее переработке.

Настоящая работа выполнена в соответствии с Постановлением ГКНТ при СМ СССР № 555 от 30.10.85г. (программа 0.02.003) и планом Миннефтепрома на 1981 - 1988 г .г.. Программой научных исследований и разработок по комплексному использованию природных ресурсов и развитию производительных сил Сибири АН СССР, а также с Научно-технической программой Миннефтепрома 0.02.01. "Создать технологии и технические средства по добыче нефти, обеспечивающие высокую степень извлечения углеводородов из недр, подготовку и транспорт нефти и попутного газа (интенсификация добычи нефти)", подпрограммой 06.09.Т. "Разработать и внедрить технологический процесс извлечения широкой фракции легких углеводородов при использовании блочно-комплектных автоматизированных концевых установок".

Цель работы. Исследование процесса выделения легких углеводородов из нефти в центробежном поле и разработка новых приемов и технологических средств для подготовки нефти к переработке.

Научная новизна. Впервые показано, что при гидроциклонирова-нии нефти происходит выделение значительной части легких углеводородов за счет изменения равновесного состояния системы "газ (пар) - жидкость" в сторону низких давлений и высоких температур за счет изменения коэффициента фазового равновесия системы.

Исследован комплекс технологических и конструктивных параметров, характеризующих работу каждого функционального элемента технологии, реализующего принципы поля центробежных сил

(гидроциклона), контроль за которыми позволяет определить причины нарушения процесса подготовки нефти и осуществить выбор технических мероприятий по их устранению. Выявлены наиболее оптимальные тех-нологическне параметры процесса выделения легких углеводородов из нефти в поле центробежных сил.

Новизна техника - технологических решений и разработок, рассмотренных в диссертации, признана изобретениями и защищена четырьмя патентами Российской Федерации.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

Опираясь на проведенные исследования, с использованием нового технологического прнципа были разработаны: "Способ получения стабильной широкой фракции легких углеводородов", "Способ и установка для обессоливания нефти", "Гидроциклон", "Установка подготовки нефти".

Спроектирована, изготовлена и смонтирована технология получения легких углеводородов в цехе подготовки и перекачки нефти (ЦППН) НГДУ "Окгябрьскнефть" АНК "Бвшнефть", ЦППН НГДУ "Бавлынефть" и "Елховнефть" АНК Татнефть".

Рекомендации по совершенствованию отдельных элементов гидроциклона переданы в конструкторское бюро центральной базы производственного обслуживания АНК "Башнефть" (г. Октябрьский), учтены в рабочей документации гидроциклонной установки глубокой дегазации неф-та(ГУД).

Разработан руководящий документ по технологии подготовки нефти с использованием легких углеводородов, отбираемых с помощью гидроциклонов, в котором также учтены основные выводы и рекомендации по совершенствованию технологии и отдельных ее элементов подготовки нефти для дальнейшей ее переработки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

научно - технической республиканской конференции (Уфа, 1989); научно - техническом семинаре "Совершенствование технологий и оборудования процессов переработки и транспорта нефти. Секция: Разработка новых конструкций и повышение эффективности работы действующего оборудования нефтехимических процессов" (г. Новополоцк. 1989).

Технология подготовки нефти с получением легких углеводородов с помощью гидроциклона экспонировалась на ВДНХ СССР и была удостоена Большой серебряной медали (1991 г.).

Областью возможного наиболее широкого использования результатов проведенных исследований и разработок является промышленность подготовки продукции нефтяных скважин.

Публикации. По теме диссертации опубликованы: Книга Р.РАхсанов, В.И.Данилов, Н.Х.Нурмухаметов. Стабилизация нефти с помощью гидроциклона. Уфа, 1996 - 120 с. Статья в трудах ИПТЭР АН РБ; получено 4 решения о выдаче патентов РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Объем работы 106 е.. 31 рисунка, 6 таблиц, список использованной литературы содержит 106 наименований. 14 приложений. Общий объем 177 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, кратко сформулированы-----------------

основные задачи диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу способов выделения легких углеводородов в поле центробежных сил и существующих схем и устройств его реализации.

Потери нефти от теряемых легких фракций в процессах добычи, подготовки и транспорта нефти до нефтеперерабатывающих заводов составляют 2 - 2,5 % масс. Для снижения потерь нефти она подвергается комплексной подготовке с получением стабильной нефти, газа и нестабильного бензина - широкой фракции легких углеводородов.

Показателем уровня стабилизации нефти является значение давления насыщенных паров (ДНП). Задачей любого способа стабилизации является снижение ДНП до величины, обеспечивающей минимальные потери от испарения легких углеводородов.

В зависимости от применяемой технологии стабилизации нефти в выделяемом газе будут примеси тяжелых углеводородов и тот из способов будет совершеннее, при котором при равном снижении ДНП содержание тяжелых компонентов будет минимальным. Может оказаться, что одни нефти достаточно дебуганизнровать. другие депропанизировать. а третьи - совсем не подвергать сепарации на промысле иди осуществлять сепарацию при температуре обезвоживания нефти.

На основе анализа способов подготовки нефти показана необходимость разработки новых технологических принципов, реализация которых осуществляется с помощью блочного оборудования. Одним из наиболее оптимальных блочных аппаратов дня стабилизации нефти с использованием поля центробежных сил является гидроциклон.

Гидроциклон состоит из 6 гидроциклонных элементов, соединенных с помошью сливных камер с газосборными камерами. Гидроциклонные

элементы смонтированы в обшем корпусе, имеющим входной патрубок для ввода газожидкостной смеси. Сливная камера каждого гидроциклонного элемента снабжена наконечником специальной конструкции, позволяющем не только стабилизировать осевую составляющую скорости потока за счет торроидального кольца на внутренней поверхности, но и более качественно удалять газовые пузырьки из жидкости за счет разных углов наклона отражательной поверхности наконечника. Тангенциально вводимая через входной патрубок в полость между корпусом аппарата и внутренним экраном газожидкостная смесь приобретает равномерное закрученное движение. Через специальное усторойсгво по-л»дисперсная газожидкостная смесь, получая дополнительную закрутку, поступает в гйдроциклонные элементы. За счет центробежной силы в них происходит интенсивная дегазация нефти. Стабильная нефть удаляется через разгрузочные отверстия: отвод газоконденсата производится через сливные камеры в камеры сбора и отвода газоконденсата.

Рассмотрены гидроциклонные сепараторы отечественных и зарубежных конструкций. Подробно проанализированы достоинства и недостатки этих конструкций. Представлены также существующие методы расчета дегазации нефти с помощью поля центробежных сил.

Во второй главе приведены результаты исследования процессов движения и выделения газовых включений в гидроциклонном аппарате.

Приведено уравнение для расчета длины сливной камеры аппарата. Эта длина должна обеспечить выделение конкретного пузырька при определенных гидродинамических условиях.

Дается описание экспериментальной установки и методики проведения опытов. Обсуждаются результаты экспериментов, проведенных на модельных средах в лабораторных условиях.

Ввиду невозможности использования в лабораторных условиях реальной продукции нефтяных скважин, в качестве модельной жидкости была выбрана вода. Легкие частицы моделировались окрашенными сфе-

рическими частицами полиэтилена плотностью 0,8 ; 0.9 п'смг и размером 100 + 200 мкм. Определение скорости меченных частиц осуществлялось с помощью скоростной кинокамеры СКС - I М. Скорость съемки находилась в пределах 2000 кадров в секунду (рис. I).

Результаты покадровой экспозиции траектории движения легких частиц б различных зонах гидроциклона

Б - в сливной камере аппарата.

Исследование влияния конструктивных параметров гндроциклона на процесс дегазации нефти проводилось на УКПН-2 НГДУ "Октябрьскнефть". Исследованиями показано, что при гидроциклониро-ванни нефти происходит изменение констант фазового равновесия в сторону низких давлений и высоких температур вследствие образования па-

рогазового шнура в центре вращения потока и перераспределения давления по сечению гидроциклона; на периферии давление больше, а в центре вращения потока образуется разрежение. Поэтому становится очевидным влияние величины разрежения в центре вращения потока на процесс дегазации нефти и извлечения легких углеводородов с помощью поля центробежных сил.

Из многочисленных форм наконечников сливных камер были отобраны три конструкции: 1-я - по технологичности конструкции при максимальной величине разрежения в центре вращения потока, 2-я - по максимально возможной величине разрежения с одновременным максимальным выделением газов и 3-я - по простоте конструкции наконечника. На рис.2 представлены все три вида отобранных наконечников.

На рис.3 показаны величины разрежения для различных форм наконечников при различном давлении жидкости на входе в гидроциклон. Максимальная величина разрежения составляет 247 мм рт. ст. для наконечника № 2 при давлении на входе в гидроциклон 0.2 МПа.

Значительное влияние на гидродинамику потока жидкости в аппарате оказывает длина и глубина погружения сливной камеры в цилиндрическую часть гидроциклона.

Газовые включения, находящиеся в центре вращения потока, должны удаляться из гидроциклона с минимальной циркуляцией, что осуществляется правильным выбором глубины погружения сливной камеры. Приведено расчетное уравнение для определения оптимального значения величины погружения сливной камеры.

В третьей главе показано, что проведенный анализ существующих систем сбора и подготовки нефти, а также выполненные аналитические исследования движения легких частиц в поле центробежных сил с учетом парогазового шнура позволяют выбрать основные конструктивные размеры гидроциклонного аппарата и создать основные технологические

Форма наконечников сливных камер © © ©

Рис. 2.

Величины разрежения от давления на входе в гидроциклон для различных форм наконечников

250

с*

5

О.

«

й С.

СО

1 ■ ! • 1 1 | 1 ¿00 1 1 /

/5£7 1 2 1//±

№ 3

50 / У N

о ■ а¡л '■<М №

МП а

Давление на входе в гидроциклон Рис. 3.

принципы для систем комплексной подготовки нефти в промысловых условиях.

Разработан способ получения стабильной широкой фракции легких углеводородов. Отличительной особенностью этого способа является пщроциклонирование предварительно нагретого до 80 + 90'С сырья. Воздействие низкого давления, образующегося в центре вращения потока в гидроциклоне, позволяет удалить из сырья широкую фракцию легких углеводородов, которую отводят через верх гидроциклона, охлаждают и в сконденсированном виде спивают в емкость-накопитель готового пробста. Тяжелую фракцию после охлаждения отводят в отдельною емкость. На рпе.4 представлена схема получения стабильной широкой фракции легких углеводородов.

Разработана новая конструкция гидроциклона. Отличительиой особенностью этого аппарата является новая конструкция наконечника сливной камеры. Интенсификация отделения газа достигается благодаря истечению скопившихся и скоалесцированных газовых включений на наружной поверхности наконечника с острых кромок наподобие истечения с порога, для которого характерно схпопыванне газовых пузырьков. Гидроцикдон. в котором имеется сливная камера с наконечником такой конфигурации, позволяет интенсифицировать процессы дегазации нефти. Кроме того, наличие местного сопротивления в виде торроидальной поверхности позволяет газопаровому шнуру проходить е отверстие наконечника сливной камеры без заметног-о диспергирования благодаря увеличению давления на периферии.

Схема получения стабильной широкой фракции легких углеводородов.

Рис. 4.

1.2 - теплообменники. 3 - печь. 4 - гидроциклон. 5 - емкость-накопитель, б - инжектор. 7 - горелка Приведено описание установки стабилизации нефти гндроциклони-рованием. Сухой газ. полученный в результате гидроцнклонирования. вместе с продуктами испарения товарных резервуаров подают через инжектор на сжигание в печь подогрева нефти. В инжекторе рабочим агентом является низкокаллоринный магистральный газ.

Такое смешение газов после гидроциклонировання нефти с продуктами испарения товарных резервуаров позволяет увеличить температуру нагрева нефти за счет увеличения каллорийности сжигаемого в печи газа и интенсифицировать, тем самым, процесс подготовки нефти. Установка подготовки нефти представлена на рис. 5.

Установка подготовки нефти.

Рис. 5.

1-участок предварительного отбора газа. 2-сепаратор. З-отстойник. 4-сепа-ратор, 5-электродегидратор. 6-печь. 7-каплеуловитель-сепаратор. 8-гидроиик-лон. 9-конденсатор-холодильник. Ю-чнжекгор. И-резервуар товарных парков.

На базе этой установки разработаны также способ и установка для обессоливания и обезвоживания нефти, основной отличительной особенностью которой является гидроциклонирование промывочной жидкости с целью удаления кислых газов и примесей.

Однако, в промысловых условиях назрела острая необходимость включить в установку подготовки нефти блок получения легких углеводородов. гак как в ряде исследований последних лет указано на возможность применения их в качестве реагентов для подготовки нефти. С этой целью рассматривается технология подготовки нефти и блок получения легких углеводородов гидроциклонированием нефти как единый технологический процесс.

В работе дается такая технологическая схема промышленной подготовки нефти, реализованная в НГДУ "Октябрьекнефть" АНК "Башнефть", а также в НГДУ "Елховнефть" АНК "Татнефть".---------------------------------------

Блок получения легких углеводородов снабжен гидроииклоном ГУД-1, выпускаемым базой производственного обслуживания АНК "Башнефть" ^.Октябрьский).

Промышленные испытания установки подготовки нефти с блоком получения легких углеводородов гидроциклонированием нефти показали, что мри различных вариантах стабилизации нефги в зависимости от поставленных задач возможно получение стабильной нефти и газа с использованием последнего в качестве топлива, или получение стабильной нефти и легких углеводородов - реагентов подготовки нефти.

В работе представлена также зависимость степени извлечения индивидуальных углеводородов: пропана, изобутана, нормального бутана, изопентана. нормального пентана при гидрониклонировании нефти ог давления и температуры на входе в гидроциклон. Результаты промышленных испытаний представлены на рис. 6.

В работе приведены преимущества и недостатки подготовки нефти гидроциклонированием и стабилизации нефти методом ректификации.

Известно, что для решения задач оптимального управления работой установки получения легких углеводородов из нефти необходимо наличие математической модели. Для получения математической модели данные промышленной эксплуатации гидроциклонной установки получения легких углеводородов из нефти подвергались обработке по методике множественного регрессионного анализа. Получена система уравнений, выражающих зависимость выходных показателей работы аппарата от входных параметров:

у, = 307,Овх?^^13742*;1'1395 (1М),73) (!)

Извлечение легких углеводородов в гидроцшслоне

и и й

При Т - 353 К(80 С)

При Т = 363 К (90° С)

ПриТ = 373 К (100° С)

о (=1

т /

60 / о

10 /

30 /

20 / V

ю \

0Щ од> ОХ ом от 03

МПа

Давление на входе в гидроциклон

МПа

Ю 4

66 / ч \

50 / 2 С ч

ш

30 г

¿0 / /

ю /

00$ 0,% ф5 ом т т 1 0,&

Рис. С>:1 -С3; 2-1С4; 3-пС4; 4-Ю5; 5-пС5

У2 = 51,38 + 0.02х. - 1,55х2 + 29,79х3 (11=0,96) (2) У, = -0.8х, - 0.95х2 - 0,86х,_______ __________(К 0,83)__________(3)

у4 - 60,85хГ''и^хр75^279 ¡11 0.62) , (4)

где xi - ДНП сырой нефти. МПа:

х7 - содержание С, -г С5 в сырой нефти, % масс:

х5 - давление на входе в гидроциклон, МПа:

х4 - температура на входе в гидроцнклон, К;

у, - ДНП стабильной нефти, МПа;

у2 - производительность по нефти, м'' /час;

у ? - содержание С, -г С? в стабильной нефти, % масс;

у4 - содержание Ц 4-С5 в нестабильном бензине,"/« масс.

К. - множественный коэффициент корреляции.

Анализ полученных зависимостей дает основание утверждать, что они могут быть использованы с достаточной точностью для прогнозирования значений выходных показателей работы установки подготовки нефти с применением гидроциклона.

В работе представлена функциональная схема системы оптимального управления работой гидроциклона.

Согласно данным НГДУ "Октябрьскнефть". внедрение технологии позволило сократить капитальные вложения в 58.8 раза, потери нефти при подготовке довести с 0,62 до 0,36 % масс, расход реагента сократить с 50 до 36 гТ. температуру нагрева нефш сократить со 160 до 90' С без ухудшения качества подготовки нефти и сократить, тем самым, расход хаза в 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С целью снижения потерь легких углеводородов и более качественной подготовки нефти к дальнейшей ее переработке необходимо осуществить выделение этих углеводородов на установках подготовки нефти. Существующие способы комплексной подготовки нефти, предусматривающие выделение углеводородов из нефти в колоннах-стабилизаторах, являются громоздкими и металлоемкими и требуют значительных энергетических затрат.

2. На основании анализа существующих технологий и оборудования показана необходимость исследований процессов выделения легких углеводородов с применением поля центробежных сил.

3. Дается общий алгоритм решения системы уравнений несущего потока жидкости, основной задачей которого является определение полей составляющих скоростей и давления. Получена математическая модель, описывающая движение пузырька в закрученном потоке жидкости.

Представлен алгоритм расчета траектории пузырька, а это позволяет определить конструктивные особенности гидроциклонного аппарата, режимы наиболее эффективной его эксплуатации, а также место гидро-ииклона в обшей технолог ии подготовки нефти.

4. Получены расчетные выражения для констант фазового равновесия компонентов нефтегазовых смесей. Указано, что относительная ошибка метода определения этих констант обеспечивает потребности нефтяной и газовой промышленности и оценивается в 10: 30 %.

5. На базе нового технологического принципа разработаны новые технологии : "Способ получения стабильной широкой фракции лепсих углеводородов" и "Способ и установка для обессоливания нефти", в которых применяется процесс гидроциклонирования жидкости с использованием новой конструкции пщроциклона.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

!. Ахсаков P P.. Данилов В.И., Нурмухаметов Н.Х. Стабилизация нефти с помощью гидроциклона - Фонд Содействия'Развитию Научных Исследований, Уфа, S396- 120с.

2. Ахсанов P.P., Нурмухаметов П.Х., Абызгильдин Ю.М. Способ получения стабильной широкой фракции легких углеводородов (Решение ВШШГПЭ от 23.02.96г. о выдаче патента РФ по заявке Jfc 95108637 от 26.05.95r.}.

3. Ахсанов Г.Р.. Нурмухаметов Н.Х., Данилов В.И. и др. Способ и установка для обеесолнвання нефти (Решение ВНИИГПЭ от 04.04.9бг. о выдаче патента РФ по заявке № 95109294 от 20.06.95г.).

4. Расчет эффективности отделения газовых включений в сливной камере гидроцикяона / Ахсаков Р.Р., Николаев А.Н., Нурмухаметов К.Х. и др. В кн.: Эксплуатация нефтепромыслового оборудования и трубопроводов. Соорник научных тиунов. Минтопэнерго РФ. АН РБ, йПТс)Р. Уфа, 1993 - с.73-78.

5. Ахсанов P.P., Нурмухаметов II.X., Данилов В.И. Гидроциклон (Решение ВНИИГПЭ о выдаче чахенга РФ по заявке № 9511300" от 25.07.95г.).

6. Установка подготовки нефти / Ахсанов Р.Р., Нурмухаметов Н.Х., Данилов В.И. и др. (Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке

95105032 от 04.04.95г.).

Соискатель

Нурмухаметов Н.Х.